一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统的制作方法

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种利用荧光强度比的光纤氢气传感系统。

背景技术：

随着社会对环境的要求日益提高，具有污染排放的能源使用受到限制，氢气作为一种清洁、放热量高的可再生能源，在民用、军事、航空航天等方面具有广泛应用。但由于氢气分子小，容易泄露且其起爆点低，在空气中氢气浓度高于4％时，达到燃点就容易发生爆炸，所以氢气也是一种高危气体。

因此一种可靠、安全、灵敏度高的氢气传感器尤为重要，传统的电化学类氢气容易受环境的影响，多次使用后会导致灵敏度下降等缺点，同时电类传感器容易产生电火花，存在一定的安全隐患。利用光纤制成的光纤氢气传感器可规避电类传感器的缺点，其原理是通过特殊氢敏材料与氢气接触发生反应，促使氢气传感探头的物理性质发生变化，从而导致光纤传输的光线的光学性质发生变化，可以分析对应物理量的关系并得出氢气浓度。传统的光纤传感器的传感探头以光纤光栅和干涉仪型为主，制备工艺相对复杂。基于荧光强度比的光纤氢气传感器，其传感探头为可上转换发光的荧光材料制备，主要通过荧光发射峰的相对强度大小来反推氢气浓度，在保留光纤传感器抗电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、耐腐蚀、适应环境能力强等优点的同时，降低了加工工艺的复杂度。

技术实现要素：

本发明目的在于针对传统电化学氢气传感器和传统光纤氢气传感器的不足，提出一种基于荧光强度比的光纤氢气传感系统，利用氢气传感探头结合氢敏材料，通过荧光强度比技术测量氢气浓度，以解决上述背景技术中提出的问题。

进一步的，所述的基于荧光强度比的光纤氢气传感系统包括激发光源模块、信号传输模块、氢气传感模块、信息采集处理模块。

进一步的，激发光源模块提供和氢气传感探头材料激发荧光发射相匹配波长的激光光源，信号传输模块包括单模光纤、隔离器、分束器，氢气传感模块包括氢气传感探头、氢敏材料，信息采集处理模块包括光谱仪、计算机及信号处理软件，激光光源模块发出的激光通过单模光纤、分束器后到达氢气传感探头，氢气传感探头被激发光激发出荧光，荧光通过单模光纤、分束器后进入光谱仪，计算机采集光谱仪数据由信号处理软件进行处理和显示结果。

进一步的，所述的激发光源模块中的激光光源为功率可调的980nm激光器，或其他可以和氢气传感探头材料的激发光波长相匹配的激光器。

进一步的，所述的信号传输模块中的单模光纤为普通单模光纤，分束器为1*2型光纤分束器，隔离器为单向光纤隔离器，单模光纤作为信号传输介质，将激光传输至氢气传感探头以激发出荧光，分束器起分光、耦合作用，将氢气传感探头反向传回的荧光信号耦合进光谱仪，隔离器起保护激光器作用。

进一步的，所述的氢气传感模块中的氢气传感探头，由er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃制成，其直径为125微米，表面镀有一层氢敏材料，并与单模光纤熔接连接，所述的氢敏材料为以pt为基底的wo3和sio2混合物，当氢敏材料遇到不同浓度的氢气，会产生不同的发热量导致氢气传感探头产生不同的温升。

进一步的，所述的荧光强度比技术，是利用掺杂稀土离子er³⁺/yb³⁺的两个热耦合能级产生的522nm(er³⁺²h11/2→⁴i15/2)和545nm(er³⁺⁴s3/2→⁴i15/2)荧光发射峰，在温度变化时，能级上粒子数发生变化，从而导致被激发的荧光强度发生变化，两能级上粒子数变化导致两个荧光发射峰的强度比变化符合下式，

其中fir为荧光强度比，i为能级的荧光光强，g、σ、分别为能级简并度、跃迁辐射几率和光子角频率，δe为能极差，kb为玻尔兹曼常数，t为温度。

进一步的，所述的信息采集处理模块中的光谱仪，采用光纤光谱仪，光路信号通过光纤耦合进光纤光谱仪，所述的计算机和光纤光谱仪采用数据传输线相连，计算机采集数据后通过labview调用matlab函数库，计算所采集数据的fir数值，反推温度t，进一步再转化为待测量的氢气浓度，并实时显示氢气浓度。

进一步的，所述的光谱数据采集、处理、显示过程为，编写的labview程序调用matlab，读取光谱仪记录的光谱强度变化的表格数据，通过matlab自带工具箱对采集的两个荧光峰波长范围的光谱强度进行积分，返回两荧光峰光谱强度值，labview将强度值做比，得到变化的荧光强度比，最后通过预先标定的氢气浓度标准曲线，计算实时检测的氢气浓度并将浓度值显示在程序界面。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用全光纤系统对环境中氢气浓度进行检测，全光纤系统保证了系统的稳定性、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、响应时间短、耐高温、耐腐蚀、重复使用效率高，氢气传感探头用上转换发光的荧光材料制备，工艺简单，可靠性高。

2、本发明采用了可见光作为信息传输信号，测量区域仅有光纤、氢气传感探头和氢敏材料，区别于传统的电化学氢气传感器，安全系数高、信号传输速度快。

3、本发明采用光机电算一体化系统，对采集数据进行计算机可视化处理，具有使用方便、标准化程度高，排除人为因素干扰，提高测量准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为基于荧光强度比的光纤氢气传感系统的传感器示意图。

图2为基于荧光强度比的光纤氢气传感系统的系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。

图1为基于荧光强度比的光纤氢气传感系统的传感部分示意图。如图所示，传感部分分别由单模光纤、er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝、pt-wo3-sio2粉末构成，单模光纤和er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝采用异质熔接法进行熔接，pt-wo3-sio2粉末和er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝的结合采用磁控溅射法。

图2为基于荧光强度比的光纤氢气传感系统的系统图。如图所示，系统分别由计算机、光纤光谱仪、980nm光纤激光器、单模光纤、隔离器、1*2耦合器、氢气传感探头等部分组成。980nm的光纤激光器发出的激光经过单模光纤和耦合器到达氢气传感探头，由er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝制成的氢气传感探头在激发光的激发下会产生明亮的绿光，其光谱在522nm和545nm附近有明显的激发峰。当被测环境中氢气浓度发生变化时，er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝上附着的pt-wo3-sio2粉末会和氢气接触发生反应，反应会放出热量，且随着氢气浓度变化放出的热量也会发生变化。放热量变化使得er³⁺/yb³⁺共掺的碲酸盐玻璃丝温升且热耦合能级上粒子数发生变化，从而导致光谱在522nm和545nm附近的激发荧光峰强度发生变化，激发荧光通过单模光纤和耦合器反向传至光纤光谱仪，计算机通过数据线采集光谱信息，利用内置的labview程序调用mtalab工具箱采集光谱数据，并对522nm和545nm附近的激发峰强度进行积分，再将积分得到的数据作比，得到荧光强度比数据。最后通过标定曲线得出被测量环境中的氢气浓度，并在labview界面中实时显示。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围之内。